5.4. Регулируемый электропривод с обратными связями по току и скорости и суммирующим усилителем

Регулируемый
электропривод с отрицательной обратной
связью по скорости.
Для получения достаточно большого
диапазона регулирования скорости
необходимо повышать жесткость механических
характеристик и вводить в систему
электропривода отрицательную обратную
связь по скорости. Наличие главной
обратной связи по скорости является
наиболее характерной чертой электропривода
с большим диапазоном регулирования
скорости.

Схема
регулируемого электропривода
представлена на рис. 14.11. Двигатель М
получает питание от силового преобразователя
U.
Скорость двигателя регулируется вниз
от номинальной посредством изменения
напряжения якоря U_я.

На
валу двигателя установлен тахогенератор
BR,
напряжение которого поступает на
регулятор скорости AR,
который может работать в качестве П–
или ПИ–регулятора.

Структурная
схема регулируемого электропривода
представлена на рис. 14.12. Пунктиром
показана обратная связь, которая в этом
варианте привода не используется.

Рис.
14.11. Схема регулируемого электропривода

с
обратной связью по скорости

Рис.
14.12. Структурная схема регулируемого
электропривода с обратной связью по
скорости (цепь обратной связи по току
показана пунктиром)

Составим
уравнение, описывающее динамические
процессы в приводе. Скорость двигателя
постоянного тока зависит от напряжения
якоря и момента сопротивления

.

На
этом основании для разомкнутой цепи
регулируемого ЭП и

,

но
напряжение U_oc
связано со скоростью двигателя .

Подставив
это значение в предыдущую формулу и
решив ее относительно скорости, будем
иметь

Регулируемый
электропривод с обратной связью по
скорости и току якоря.
Кроме основной обратной связи по скорости
в регулируемом электроприводе используют
обратную связь по току якоря. Ток якоря
пропорционален моменту, поэтому, управляя
током, мы по сути дела управляем моментом
ЭД и формируем силовое воздействие на
механическую систему. Можно считать,
что обратная связь по скорости определяет
точность регулируемого электропривода,
а обратная связь по току – его
быстродействие.

Схема
регулируемого электропривода с обратными
связями по скорости и току представлена
на рис. 14.13. Во многом эта схема совпадает
со схемой, изображенной на рис. 14.11.
Отличие заключается в том, что в цепи
якоря установлен датчик тока ВА,
сигнал которого поступает на регулятор
А.
В регуляторе (суммирующем усилителе)
происходит алгебраическое суммирование
задающего сигнала и сигналов обратной
связи по току и скорости.

Воспользуемся
структурной схемой, приведенной на рис.
14.13. с учетом пунктирной линии, образующей
обратную связь по току.

Рис.
14.13. Схема регулируемого электропривода
с обратными связями

по
скорости и току

Регулируемый
электропривод с обратной связью по
скорости и по току с отсечкой.
В электроприводе станков и ПР широко
применяют системы привода, в которых
действует отрицательная обратная связь
по току с отсечкой. Нелинейная обратная
связь по току (рис. 4.22, а) действует
следующим образом: до тех пор, пока ток
якоря не превышает величины тока отсечки
,
сигнал обратной связи равен нулю. Если
же ,
то вводится в действие сильная
отрицательная обратная связь по току,
которая ограничивает величину тока
якоря на заданном уровне.

При
постоянном магнитном потоке ограничение
тока якоря эквивалентно ограничению
момента. Поэтому механическая
характеристика такого привода состоит
из двух участков (рис. 14.14, б).

Рис.
14.14. Схема (а) и механическая характеристика
(б)

электропривода
с отсечкой по току

На
первом участке в приводе действует
только отрицательная обратная связь
по скорости и жесткость механических
характеристик велика. При больших
моментах «срабатывает» отсечка по току
и добавляется сильная отрицательная
обратная связь по току, которая уменьшает
выходное напряжение преобразователя
и снижает жесткость механических
характеристик. Наклон механических
характеристик на втором участке резко
увеличивается. Такие характеристики
называют экскаваторными. Привод с
отсечкой по току может работать на
жесткий упор при
= 0. Ток якоря при нулевой скорости привода
называют током стопорения.

В
схемах отсечки по току (рис. 4.23, а)
напряжение, снимаемое с шунта, включенного
в цепь якоря двигателя ,
сравнивается с опорным напряжением
u_оп,
пропорциональным току отсечки.

Рис.
14.15. Схемы отсечки по току: а – с диодом
в качестве порогового элемента; б – со
стабилитроном; в, г – с упреждающим
токоограниченнем

Опорное
напряжение запирает диод VD.
В результате ток в цепи может протекать
только при .
Этот ток создает падение напряжения на
резисторе R,
которое и является напряжением обратной
связи. Величину тока отсечки регулируют
путем изменения опорного напряжения.

В
схеме на рис. 4.23, б отсечка по току
осуществляется с помощью стабилитрона
V. При напряжении
происходит пробой стабилитрона и на
нагрузочном сопротивлении возникает
напряжение обратной связи.

Отсечка
по току позволяет стабилизировать
момент двигателя не только в статическом
режиме при работе на упор, но и в
динамическом режиме. Переходные процессы
в таком приводе происходят с почти
постоянным динамическим моментом. В
приводах с малоинерционными тиристорными
преобразователями токоограничение
имеет особенно важное значение.

Регулирование (ограничение) тока и момента двигателя постоян­ного тока с помощью нелинейной отрицательной обратной связи по току

В
качестве датчика тока в этой системе
ЭП ис­пользуется
шунт с сопротивлением R
падение
напряжения на ко­тором пропорционально
току якоря ). В результате сигнал обрат­ной
связи по току

U_от
= βI;

где β — коэффициент
обратной связи по току, Ом.

Отметим,
что в качестве резистора R
часто
используется обмотка дополнительных
полюсов или компенсационная обмотка
двигателя.

Сигнал обратной
связи U
поступает
на узел токоограничения УТО,
называемый
также узлом токовой отсечки, вместе с
сигналом задания
тока £/_зт,
определяющим уровень тока отсечки /_отс,
с кото­рого
начинается регулирование (ограничение)
тока.

Работа УТО
в соответствии
с его характеристикой U_ot(I)
(см.
рис. 11.24, а)
происходит
следующим образом. При токе в яко­ре
меньше заданного тока отсечки, т.е. пока
I
< I_отс
, сигнал
обрат­ной связи на выходе УТО
равен нулю.
Другими словами, ЭП в ди­апазоне тока
якоря от 0 до I_отс
является разомкнутым и имеет
ха­рактеристики, изображенные на рис.
11.24, б в
зоне I.
При I
> I_отс
на выходе
УТО появляется
сигнал отрицательной обратной связи
U_от
= βI,
ЭП становится замкнутым и начинает
работать в соот­ветствии с характеристиками
в зоне II.
Для пояснения
вида харак­теристик ЭП в этой зоне
запишем выражение для сигнала
рассог­ласования:

U_вх
= U_зс
– βI;

Из
(11.13) видно, что при увеличении тока I
сигнал U_вх
уменьша­ется,
что в соответствии с (11.6) и (11.7) вызывает
уменьшение сигна­лов U_y
и
Е_п.
При
этом уменьшается напряжение на двигателе
U
и
соответственно
снижается ток в якоре двигателя.
Характеристики двигателя становятся
крутопадающими (мягкими), что и отражает
эффект
регулирования (ограничения) тока и
соответственно момен­та.
При увеличении коэффициента усиления
системы характерис­тики в зоне II
все ближе приближаются к вертикальным
линиям. Уровень ограничения тока
определяется задающим сигналом (уставкой)
U_зт
. Ток при
нулевой скорости двигателя называется
то­ком стопорения I
стоп.

3. Замкнутая схема электрического привода с двигателями посто­янного тока с обратными связями по скорости и току

Для
получения жестких
характеристик ЭП, необходимых для
регулирования ско­рости, и мягких
характеристик, требуемых для ограничения
тока и момента,
т. е. при регулировании двух координат,
применяются со­ответствующие обратные
связи. В схеме ЭП с нелинейными обрат­ными
связями по скорости и току (рис. 11.25, а)
для
обеспечения не­линейности
цепей обратных связей используются
узел токоограни­чения
УТО и
узел ограничения скорости УСО,
характеристики
ко­торых показаны внутри соответствующих
условных изображений. Приведенная
схема соответствует схеме с общим
усилителем и не­линейными
обратными связями (см. рис. 11.3), которые
определя­ют разделение области
механических характеристик (см.рис.
11.25, 6) на
три зоны —
1,11 и.
III.

В зоне Iв
диапазоне токов от 0 до I
действует только обратная связь
по скорости, обеспечивая жесткие
характеристики ЭП. В зоне

II
при I
> I_отс
вступает в действие обратная связь по
току и харак­теристики становятся
мягче. При дальнейшем увеличении тока
и падении
скорости ниже скорости отсечки ω_отс
перестает действовать обратная
связь по скорости, а за счет действия
связи по току харак­теристики
становятся еще мягче (зона III),
т. е.
обеспечивается тре­буемое ограничение
тока и момента.

После формирования
требуемых статических характеристик
в замкнутом ЭП, построенном по схеме с
общим усилителем, может оказаться, что
его динамические характеристики
неприемлемы -движение
в переходных процессах или оказывается
неустойчивым, или характеризуется
перерегулированием и колебаниями, или
име­ет
значительное время протекания. В этих
случаях требуется кор­рекция законов
управления ЭП.

Сущность коррекции
динамических характеристик ЭП заклю­чается
в том, что в его схему включаются
дополнительные (коррек­тирующие)
устройства, позволяющие нужным образом
изменять эти характеристики.
Определение схемы (структуры), параметров
и места
включения корректирующих устройств,
или, как говорят, их синтез, производится
по заданным критериям качества переходных
процессов
методами, разработанными в теории
автоматического регулирования и ЭП [6,
9]. Не останавливаясь на описании этих
методов
и схем используемых корректирующих
устройств, отметим, что
цель коррекции состоит в получении и
использовании в схеме ЭП
дополнительных сигналов управления,
пропорциональных про­изводным
и интегралам от основных сигналов.
Другими словами, коррекция динамических
характеристик ЭП предусматривает
ис­пользование дополнительных гибких
обратных связей. Эти связи по
принципу своего действия проявляют
себя только в переходных процессах,
участвуя в формировании заданных
динамических ха­рактеристик
ЭП и не изменяя в то же время полученные
с помощью жестких
(постоянно действующих) обратных связей
статические характеристики.

Методы управления приводом: постоянный ток (двигатели и приводы)

Как указывалось ранее, обычно используются методы управления скоростью с разомкнутым и замкнутым контуром. Если регулирование скорости не является фактором, то двигатель постоянного тока может работать в режиме управления без обратной связи. Тем не менее, большинство приложений требуют определенного типа регулирования для наиболее эффективного использования механики системы. Таким образом, средства отправки приводу фактического сигнала скорости необходимы для регулирования скорости. В приводах постоянного тока в основном используются две формы управления с обратной связью — обратная связь по тахометру и обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС). Хотя обратная связь по напряжению якоря не использует внешнее устройство, она называется обратной связью и может рассматриваться как форма управления с обратной связью.

Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС, регулирование скорости)

На рис. 5-13 показана схема управления обратной связью по напряжению якоря.

Рисунок 5-13. Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС)
Как показано на рис. 5-13, приводу требуется опорный сигнал скорости и сигнал обратной связи противоположной полярности. Обратная связь используется для балансировки управления при достижении желаемой выходной скорости. Все системы управления приводом находятся внутри пунктирных линий.
Задание скорости отправляется в схему суммирования. Измеряя напряжение якоря на выходе привода, привод может определять CEMF (противодействующую электродвижущую силу) двигателя. Этот сигнал CEMF (отрицательная полярность) отправляется
в качестве обратной связи в схему суммирования. Когда ошибка равна нулю, привод стабилизируется на желаемой скорости.
Еще одна суммирующая цепь расположена после усилителя скорости и перед усилителем тока. Эта суммирующая схема будет использовать шунт или другое устройство для измерения тока якоря. Отрицательная обратная связь по току направляется в схему суммирования, а результирующий сигнал используется для ограничения величины выходного тока. Если текущий уровень находится в допустимых пределах, то контроль будет осуществляться по сигналу скорости. Но если ток превышает пределы, он будет снижать контроль скорости до тех пор, пока ток не уменьшится до безопасного уровня.
При наличии обратной связи по напряжению якоря скорость двигателя имеет тенденцию падать между состояниями полной нагрузки и холостого хода. Чтобы помочь компенсировать этот «падение» скорости, в привод включена обратная связь, называемая IR-компенсацией (аббревиатура от «компенсация сопротивления тока» из-за падения напряжения на якоре из-за нагрузки -E=IXR, закон Ома). Эта схема определяет ток якоря и подает небольшой дополнительный сигнал обратно на усилитель скорости.
В суммирующей цепи присутствуют три сигнала: положительное задание скорости, отрицательная обратная связь по напряжению якоря (ЭДС) и положительная компенсация IR. Сигнал компенсации IR добавляется к опорному сигналу скорости, чтобы компенсировать падение скорости, создаваемое нагрузкой.
При суммировании трех сигналов в одной точке возможна нестабильность. Для правильной настройки IR-компенсации регулировка обратной связи по скорости и напряжению якоря должна производиться при выключенной IR-компенсации. При наблюдении за двигателем во время ступенчатого изменения скорости компенсация IR постепенно увеличивается до тех пор, пока не возникнут колебания. Затем компенсация IR уменьшается до тех пор, пока колебание (неустойчивость) не прекратится. С этим типом управления с обратной связью возможна регулировка скорости на 2-3%.

Обратная связь по напряжению якоря (управление ЭДС, регулирование крутящего момента)

Взаимосвязь между регулированием крутящего момента и регулированием скорости в стандартной конфигурации привода постоянного тока иллюстрирует важность реакции крутящего момента. Поскольку ток якоря в двигателе постоянного тока напрямую определяет крутящий момент, контроллер постоянного тока сконфигурирован как регулятор тока с обратной связью, использующий обратную связь по напряжению якоря (ЭДС). Затем регулятор скорости дает команду регулятору тока создать крутящий момент, необходимый для поддержания желаемой скорости.
Приводы с регулированием крутящего момента часто используются в приложениях с разделением нагрузки, где привод с регулированием скорости управляет скоростью приводимой машины, а «вспомогательный» привод с регулированием крутящего момента обеспечивает контролируемый уровень крутящего момента в каком-либо другом месте машины. Если нагрузка не ограничивает скорость привода с регулируемым крутящим моментом, скорость привода может превысить безопасный рабочий предел. Поэтому приводы с регулированием крутящего момента должны иметь механизм ограничения скорости, который предотвращает превышение скорости безопасного предела, если крутящий момент, создаваемый приводимой машиной, падает до нуля.
В приводе постоянного тока крутящий момент можно регулировать напрямую, регулируя ток якоря. В любом двигателе крутящий момент является результатом силы между двумя магнитными полями. В двигателе (постоянного тока) крутящий момент легко и напрямую регулируется путем регулирования токов, управляющих потоком в двух магнитных полях. Поток обмотки возбуждения — это поток намагничивания двигателя, который поддерживается постоянным за счет обеспечения постоянного тока возбуждения. Поток, создающий крутящий момент двигателя, представляет собой поток, создаваемый током якоря, который регулируется для регулирования крутящего момента. Крутящий момент, создаваемый на любой скорости, определяется выражением:

Обратная связь тахометра
Когда скорость двигателя постоянного тока имеет первостепенное значение, ее можно измерить с помощью преобразователя и отрегулировать с помощью регулятора с обратной связью, как показано на Рисунке 5-14.

Рис. 5-14. Регулирование скорости с обратной связью — обратная связь тахометра
Преобразователь на рис. 5-14 представляет собой генератор тахометра. Как было рассмотрено ранее, тач представляет собой небольшой генератор, который выдает выходное напряжение, очень точно определяемое его рабочей скоростью. Существуют также импульсные тахометры, которые обеспечивают последовательность импульсов напряжения со средней частотой, точно пропорциональной средней скорости.
Регулятор скорости с обратной связью компенсирует любые изменения характеристик привода, вызванные изменениями нагрузки или внешними воздействиями, такими как напряжение сети и температура окружающей среды. При использовании регулятора скорости с обратной связью наиболее важной характеристикой привода является его способность быстро реагировать на изменения требований к крутящему моменту.
Уже представленные преобразователи будут задействованы в формировании фактического сигнала обратной связи по скорости. Точность системы будет
, связанный с регулированием устройства обратной связи и реакцией управления приводом.

Как привод двигателя постоянного тока управляет двигателем?

спросил
6 лет, 1 месяц назад

Изменено
6 лет назад

Просмотрено
2к раз

\$\начало группы\$

Электроприводы переменного тока достаточно хорошо задокументированы; топологии, инверторы, управление частотой, вольт на герц, пространственно-векторная модуляция. Это все есть в дюжине мест.

Но что такое двигатель постоянного тока и как он управляет двигателем?

• двигатель
• постоянный ток
• привод

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Не управляет двигателем. Я предполагаю, что вы говорите о коллекторном двигателе постоянного тока. В щеточных двигателях постоянного тока коммутация встроена в механику двигателя, частью которой являются щетки. Вы можете просто подать напряжение, и оно пойдет. Но поскольку напряжение связано со скоростью, а ток связан с крутящим моментом, вы можете начать делать причудливые вещи, чтобы контролировать эти переменные, чтобы двигатель вел себя желаемым образом. Контроллеры щеточных двигателей постоянного тока просто помогают с одним или обоими этими параметрами, но не участвуют в их коммутации.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Я предполагаю, что «двигатель постоянного тока» относится к коллекторному двигателю, а не к бесщеточному двигателю постоянного тока.

В большинстве случаев управление скоростью двигателя осуществляется путем предоставления средств, с помощью которых кривая характеристики крутящего момента двигателя в зависимости от скорости может быть отрегулирована таким образом, чтобы кривая требуемой скорости в зависимости от крутящего момента нагрузки могла пересекать ее при любой желаемой скорости. Пересечение кривой зависимости скорости двигателя от возможного крутящего момента и кривой зависимости скорости нагрузки от требуемого крутящего момента является рабочей точкой скорости и крутящего момента.

С коллекторным двигателем это можно сделать, изменив напряжение, подаваемое на якорь, ток, подаваемый на поле, или то и другое, по отдельности или одновременно. Наиболее распространенный метод заключается в обеспечении постоянного потока поля либо с помощью специального источника питания для поля, либо с помощью постоянных магнитов. Кривые зависимости скорости от крутящего момента, показанные ниже, иллюстрируют этот метод.

Обратите внимание, что только кривая для самого низкого напряжения пересекает ось Y в точке крутящего момента заблокированного ротора. Кривые для более высоких напряжений приводят к току, который превышает возможности контроллера и, возможно, двигателя. Контроллеры для всех двигателей постоянного тока, кроме самых маленьких, имеют функцию ограничения тока, которая не позволяет двигателю работать на пунктирной части кривой. Поскольку ток ограничивается регулированием напряжения, работа на кривой более высокого напряжения предотвращается до тех пор, пока двигатель не разгонится до скорости, при которой ток ниже предела.

Повышение производительности

Для повышения производительности можно использовать управление током якоря с обратной связью для управления крутящим моментом. Заданием крутящего момента для управления скоростью может быть ошибка скорости либо от контроллера напряжения якоря, либо от тахометра. Если обратная связь от тахометра не используется, для улучшения регулирования скорости можно использовать средства оценки падения напряжения IR на якоре.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Драйверы двигателей постоянного тока используют ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) для управления двигателем и управления его скоростью
вы можете сделать PWM, используя 555 IC ИЛИ любой микроконтроллер и Mosfet,
но если вы хотите управлять им, чтобы изменить направление вращающегося вала, вам нужен H-мост
H-мост — это несколько транзисторов, работающих вместе для смещения двигателя в прямом направлении, а также в обратном направлении путем изменения полярности.
Поэтому, если вы используете ШИМ и H-мост, у вас будет действительно хороший драйвер, который поможет вам контролировать скорость, а также направление вращения двигателя.0003

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Для двигателей, использующих 3-фазное питание переменного тока в США мощностью 5 л.с. или выше, существует 2 подхода к управлению постоянным током. В меньших системах могут использоваться диоды для выпрямления переменного напряжения, а затем тиристоры или IGBT-транзисторы для широтно-импульсной модуляции этого выпрямленного питания двигателя.

Более распространенный подход для двигателей большей мощности (от 20 до 200 л.с.) заключается в использовании «стека» SCR. Системы привода без рекуперации могут обеспечивать крутящий момент только в одном направлении и будут иметь 3 тиристора, по одному на каждую из 3 фаз.